陳 強(qiáng) ，王 珂

（1.余姚市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 余姚 315400；2.常州市金壇區(qū)城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213200）

1 問(wèn)題的提出

混凝土防滲墻廣泛應(yīng)用于土石壩的除險(xiǎn)加固工程中，但在實(shí)際工程中暴露了混凝土防滲墻的彈性模量高而極限應(yīng)變小的問(wèn)題，在荷載作用下，墻體應(yīng)力比混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度高出很多，防滲墻體易遭到破壞，防滲效果降低，甚至威脅大壩安全[1]。為提高混凝土防滲墻的安全性，要盡量降低混凝土的彈性模量，同時(shí)也要滿足混凝土強(qiáng)度要求[2]，但混凝土的抗壓強(qiáng)度和墻體應(yīng)力隨彈性模量的降低而降低，且降低比例不一致，降低混凝土的彈性模量，墻體應(yīng)力減小的數(shù)值遠(yuǎn)小于混凝土強(qiáng)度減小的數(shù)值[3-5]。

浙江省提出了彈性模量介于常規(guī)剛性混凝土（大于10 000 MPa）和塑性混凝土（小于1 000 MPa）之間的低彈?；炷粒蛷椖；炷练罎B墻可以有效兼顧變形協(xié)調(diào)和自身強(qiáng)度要求[6]。

目前低彈?；炷练罎B墻在國(guó)內(nèi)尤其是浙江省內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。郎小燕列出了5個(gè)浙江省已完成的除險(xiǎn)加固混凝土彈性模量設(shè)計(jì)取值在1 250~5 000 MPa，抗壓強(qiáng)度為5~9 MPa的大中型水庫(kù)，水庫(kù)大壩防滲效果良好[7]。尉高洋、李少明等專家和學(xué)者對(duì)低彈模混凝土防滲墻在水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究，低彈模混凝土防滲墻彈模取值基本在2 000~5 000 MPa，而低彈模混凝土強(qiáng)度一般不低于5 MPa且不超過(guò)10 MPa，應(yīng)用價(jià)值較高[8-16]。

目前，低彈模混凝土防滲墻彈性模量變化對(duì)水庫(kù)大壩的運(yùn)行影響研究主要通過(guò)數(shù)值模型研究低彈?；炷练罎B墻的應(yīng)力應(yīng)變，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)低彈?；炷练罎B墻的運(yùn)行效果。

本文基于牟儒的研究成果：防滲墻的應(yīng)力對(duì)墻體自身彈模的敏感性大大高于對(duì)周圍壩體填土的敏感性[6]。以吳家園水庫(kù)大壩工程為例，通過(guò)有限元軟件模擬研究彈性模量取值的變化對(duì)低彈模防滲墻應(yīng)力影響，對(duì)比分析大壩運(yùn)行中混凝土防滲墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而論證吳家園水庫(kù)大壩在除險(xiǎn)加固中采用的低彈模混凝土防滲墻彈模設(shè)計(jì)值變化對(duì)大壩運(yùn)行效果的影響，研究成果可為同類土石壩除險(xiǎn)加固工程提供參考。

2 工程概況

吳家園水庫(kù)大壩原為黏土心墻土石壩，壩頂高程49.60 m，最大壩高32.35 m，壩頂長(zhǎng)232.60 m，寬6.00 m。2008年實(shí)施水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，除險(xiǎn)加固時(shí)防滲采用低彈模量混凝土防滲墻，混凝土防滲墻墻頂高程46.00 m，墻底深入壩基弱風(fēng)化基巖內(nèi)1.00 m，局部有加深，防滲墻最大墻深67.00 m，墻體厚度0.80 m。防滲墻彈性模量設(shè)計(jì)指標(biāo)不大于4 800 MPa，抗?jié)B等級(jí)為W8，抗壓強(qiáng)度為10 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于0.85 MPa。攔河壩標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖 單位：mm

低彈?；炷练罎B墻作為隱蔽工程，其質(zhì)量好壞需要在施工過(guò)程中進(jìn)行控制，尤其是彈性模量取值，低彈模混凝土防滲墻的應(yīng)用效果在最終運(yùn)行中才能完全體現(xiàn)[17]。吳家園水庫(kù)大壩在除險(xiǎn)加固施工過(guò)程中對(duì)混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)，最大彈模值為7 376 MPa，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度全部合格。施工完成后對(duì)混凝土防滲墻工程質(zhì)量實(shí)施鉆孔取芯檢測(cè)，彈模值均大于設(shè)計(jì)值，最大彈模值為6 380 MPa，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度全部合格。分析認(rèn)為施工前未進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)，施工使用的混凝土砂率較低，粗骨料用量較多，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求而彈性模量偏大。

3 數(shù)值模型及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型的建立

吳家園水庫(kù)大壩應(yīng)力計(jì)算采用有限元軟件Autobank 7.7建立平面應(yīng)力應(yīng)變模型，壩體材料均采用鄧肯-張非線性彈性模型，另設(shè)置混凝土防滲墻與周邊土體接觸面，采用逐次增量的方法模擬材料的非線形特性，計(jì)算低彈?；炷练罎B墻的應(yīng)力狀態(tài)。

數(shù)值模型所需的各材料的非線性彈性參數(shù)參考《浙江省蒼南縣吳家園水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》[18]中的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。由于該工程為除險(xiǎn)加固工程，并且主體工程已竣工多年，模型計(jì)算模擬工況為低彈模防滲墻施工完成，壩體固結(jié)完成，水庫(kù)大壩正常運(yùn)行。本文重點(diǎn)分析2014年運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的最不利工況下防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變情況，根據(jù)《蒼南縣吳家園水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析報(bào)告（2014年）》[19]，2014年度庫(kù)水位在31.01~42.50 m范圍內(nèi)，假設(shè)最不利工況為水庫(kù)水位由最低水位31.01 m上升到最高水位42.50 m。吳家園水庫(kù)大壩計(jì)算模型壩基兩端采用滑動(dòng)支座，約束水平向的位移，壩基底部采用固定端支座，約束水平向和豎向位移。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以受壓為正，受拉為負(fù)。

表1 吳家園水庫(kù)大壩數(shù)值模擬主要參數(shù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用2014年度運(yùn)行工況下防滲墻的5種彈性模量進(jìn)行計(jì)算，彈性模量分別取2 000，4 000，4 800，6 380，8 000 MPa。為分析混凝土防滲墻彈模變化對(duì)防滲墻應(yīng)力的影響，研究最大壓應(yīng)力（y向正應(yīng)力）隨彈模（2 000~8 000 MPa）變化的規(guī)律，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2及圖2。

表2 吳家園水庫(kù)大壩數(shù)值模擬結(jié)果表

圖2 防滲墻彈性模量與防滲墻最大壓應(yīng)力關(guān)系圖

不同彈模值墻體均處于受壓狀態(tài)，變形以彎曲為主，防滲墻墻體底部壓應(yīng)力最大，為最不利部位，其壓應(yīng)力隨高度的分布基本相似。整個(gè)墻體只有在“L”型防浪墻位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力分布范圍較小。因此，混凝土防滲墻的強(qiáng)度受壓應(yīng)力控制。

最大壓應(yīng)力隨著彈性模量的增大而增大，本次混凝土防滲墻最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為2 340~4 970 kPa。其中，當(dāng)彈性模量取4 800 MPa時(shí)，防滲墻的最大壓應(yīng)力為4 110 kPa；當(dāng)彈性模量取6 380 MPa時(shí)，防滲墻的最大壓應(yīng)力為4 700 kPa；均低于防滲墻抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值10 000 kPa。

4 防滲墻應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料分析

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)資料

根據(jù)《蒼南縣吳家園水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析報(bào)告（2014年）》，選取壩體0+112 m斷面監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析。大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 吳家園水庫(kù)大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)比相同斷面同一高程處的上下游2個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值，整體上防滲墻上下游2個(gè)測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變值相差不大。2014年度防滲墻上下游未出現(xiàn)拉應(yīng)變，混凝土防滲墻基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)變隨高程降低而變大，應(yīng)變值的變化相對(duì)平穩(wěn)，墻體底部應(yīng)力應(yīng)變最大，為最不利狀態(tài)。這是由于混凝土防滲墻與基巖連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，防滲墻底部承受較大壓應(yīng)力。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)高程與最大壓應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)高程與最大壓應(yīng)變關(guān)系圖

防滲墻混凝土彈模為6 380 MPa時(shí)，由實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)變換算最大壓應(yīng)力為1 012 kPa，在抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值允許范圍內(nèi)。而數(shù)值模擬時(shí)（彈性模量為6 380 MPa），防滲墻的最大壓應(yīng)力為4 700 kPa，是實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力的4.6倍。造成數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)不符的原因主要是數(shù)值模擬計(jì)算的工況為假設(shè)的最不利工況。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)有限元軟件建立吳家園水庫(kù)大壩模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模擬結(jié)果表明：隨著彈性模量（2 000~8 000 MPa）的增大，最大壓應(yīng)力越大，并出現(xiàn)在防滲墻底部。建議在采用低彈模混凝土防滲墻時(shí)，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于5 MPa。

（2）低彈?；炷练罎B墻應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：混凝土防滲墻基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)變隨高程降低而變大，墻體底部應(yīng)力應(yīng)變最大，為最不利狀態(tài)，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。大壩混凝土防滲墻數(shù)值模擬及實(shí)際檢測(cè)的壓應(yīng)力數(shù)值均低于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，吳家園水庫(kù)大壩運(yùn)行正常。

（3）綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果及無(wú)損探測(cè)檢測(cè)結(jié)果，分析低彈模混凝土防滲墻運(yùn)行使用效果，總結(jié)低彈模混凝土防滲墻設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，可為類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。